Analisa Pemodelan Pembangkit Listrik Tenaga Hidro-Kinetik Pada Kanal Water Cooler Di Pembangkit Listrik Tenaga Uap Paiton Dengan Matlab Simulink

(1)

i

TUGAS AKHIR TF141581

ANALISA PEMODELAN PEMBANGKIT LISTRIK

TENAGA HIDRO-KINETIK PADA KANAL

WATER

COOLER

DI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP

PAITON DENGAN MATLAB SIMULINK

FARIDHUL IKHSAN

NRP. 2412 100 036 Dosen Pembimbing Harsono Hadi, Ph.D. Ir. Roekmono, M.T.

JURUSAN TEKNIK FISIKA Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2016

(2)

ii

(3)

iii

FINAL PROJECT TF141581

MODELLING ANALYSIS OF HYDROKINETIC

POWER PLANT OF WATER COOLER’S

CHANNEL IN VAPOR POWER PLANT PAITON

USING MATLAB SIMULINK

FARIDHUL IKHSAN

NRP. 2412 100 036 Supervisor

Harsono Hadi, Ph.D. Ir. Roekmono, M.T.

DEPARTMENT OF ENGINEERING PHYSICS Faculty of Industrial Technology

Sepuluh Nopember Institute of Technology Surabaya 2016

(4)

iv

(5)

(6)

vi

(7)

(8)

viii

(9)

ix

ANALISA PEMODELAN PEMBANGKIT LISTRIK

TENAGA HIDRO-KINETIK PADA KANAL WATER

COOLER DI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP

PAITON DENGAN MATLAB SIMULINK

Nama : Faridhul Ikhsan

NRP : 2412 100 036

Jurusan : Teknik Fisika FTI-ITS

Dosen Pembimbing : Harsono Hadi, Ph.D. Ir. Roekmono, M.T.

Abstrak

Sebagian besar air pendingin pada PLTU digunakan untuk mengkondensasikan uap yang keluar dari turbin. Air pendingin diambil dari laut kemudian dialirkan kembali ke laut melalui suatu kanal water cooler setelah digunakan. Belum adanya pemanfaatan air pendingin pada kanal water cooler ini memunculkan gagasan untuk memanfaatkannya sebagai PLTH (Pembangkit Listrik Tenaga Hidro-kinetik). Data dari lapangan menunjukkan aliran air rata-rata pada kanal water cooler adalah sebesar 3 m/detik. Kondisi tersebut dapat dimanfaatkan dengan pemasangan komponen – komponen Pembangkit Listrik Tenaga Hidro-kinetik seperti turbin, generator induksi, DC-AC inverter dan jala-jala (grid). Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui desain optimal sistem PLTH menggunakan software pemodelan Matlab Simulink. Parameter desain yang mempengaruhi sistem ini salah satunya adalah pitch angle pada turbin hidro-kinetik. Penelitian diawali dengan pemodelan turbin hidro-kinetik, generator induksi, DC-AC inverter dan jala-jala (grid). Kemudian dilakukan simulasi pemodelan sistem secara keseluruhan. Diperoleh hasil, pitch angle optimal adalah 0o_{dengan torsi mekanik 2741,5 Nm, daya keluaran}

132,5 kW, tegangan tiga fasa 325,5V dengan frekuensi 50 Hz, arus listrik 900 A, rotasi rotor pada generator 1520 rpm dan torsi elektrik 2703 Nm. DC-AC inverter menghasilkan tegangan tiga fasa 400 V dengan frekuensi 50 Hz, arus 134 A dan modulation index 1,04.

Kata Kunci: Kanal water cooler, turbin hidro-kinetik,generator induksi,DC-AC inverter, pitch angle.

(10)

x

(11)

xi

MODELING ANALYSIS OF HYDROKINETYC

POWER PLANT ON WATER COOLER’S CHANNEL

OF STEAM POWER PLANT PAITON USING

MATLAB SIMULINK

Name : Faridhul Ikhsan

NRP : 2412 100 036

Department : Teknik Fisika FTI-ITS

Supervisor : Harsono Hadi, Ph.D.

Ir. Roekmono, M.T.

Abstract

Most of the power plant cooling water is used to condense the steam coming from the turbine. Cooling water drawn from the sea and then channeled back into the sea via a canal water cooler after use. The absence of the use of cooling water in the canal's water cooler up with the idea to use it as PLTH (Hydrokinetic Power Plant). Data from the field indicate an average water flow in the canal water cooler is 3 m /second. Such conditions can be used with the installation of components - hydrokinetic power plant components such as turbine, induction generator, DC-AC inverter and grid connection. The purpose of this study was to determine the optimal design PLTH system using Matlab Simulink modeling software. Design parameters that affect this system one of which is the pitch angle at a hydrokinetic turbine. The study begins with modeling hydrokinetic turbine, induction generator, DC-AC inverter and grid connection. Then simulation modeling of the overall system. Obtained results, the optimum pitch angle is 0 ° with torque mechanic of 2741.5 Nm, the power output of 132.5 kW, three-phase voltage 325,5V with a frequency of 50 Hz, an electric current of 900 A, the rotation of the generator rotor at 1520 rpm and electric torque of 2703 Nm, DC-AC inverter produces three-phase voltage of 400 V with a frequency of 50 Hz, 134 A current and a modulation index of 1.04.

Keywords: Canal water cooler, hydrokinetic turbine, induction generator, DC- AC inverter, pitch angle.

(12)

xii

(13)

xiii

KATA PENGANTAR

Assalamualaikum Wr. Wb.

Alhamdulillah, puji syukur penulis haturkan kehadirat Allah SWT atas segala rahmat dan hidayah-Nya, serta limpahan kesehatan dan petunjuk bagi penulis. Shalawat serta salam juga senantiasa penulis curahkan kepada Nabi Muhammad SAW sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir beserta pembuatan laporan yang berjudul:

“ANALISA PEMODELAN PEMBANGKIT LISTRIK

TENAGA HIDRO-KINETIK PADA KANAL WATER

COOLER DI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP

PAITON DENGAN MATLAB SIMULINK”.

Tugas akhir ini disusun untuk memenuhi persyaratan bagi seorang mahasiswa dalam memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.

Dalam kesempatan kali ini, penulis menyampaikan terima kasih kepada semua pihak yang telah banyak membantu hingga terselesaikannya laporan tugas akhir ini, khususnya kepada :

1. Kedua orangtua penulis yang tiada hentinya memberikan doa dan dukungan baik secara moril maupun materiil sedari penulis kecil hingga menjadi sebesar ini.

2. Bapak Harsono Hadi, Ph.D. dan Bapak Ir. Roekmono, M.T. selaku dosen pembimbing tugas akhir yang selalu memberikan arahan dan pencerahan kepada penulis dalam mengerjakan tugas akhir.

3. Bapak Prof. Dr. Ir. Sekartedjo, M.Sc. selaku dosen wali yang selalu memberikan motivasi kepada penulis selama menjadi mahasiswa di Jurusan Teknik Fisika FTI ITS. 4. Bapak Dr. Ir. Totok Soehartanto, DEA. atas inspirasi dan

motivasi yang diberikan kepada penulis.

5. Bapak Agus Muhamad Hatta S.T., M.Si., Ph.D. selaku ketua Jurusan Teknik Fisika, FTI – ITS.

(14)

xiv

6. Bapak

Gunawan Nugroho, S.T., M.T., Ph.D

selaku Kepala Laboratorium Rekayasa Energi dan Pengkondisian atas segala saran dan kemudahan dalam mengembangkan kemampuan di laboratorium.

7. Bapak dan Ibu dosen Jurusan Teknik Fisika FTI ITS, khususnya dosen bidang minat Rekayasa Energi dan Pengkondisian Lingkungan atas segala pemberian ilmu yang tulus sehingga penulis dapat menyelesaikan kuliah sampai tugas akhir ini.

8. Teman-teman asisten Laboratorium Rekayasa Energi dan Pengkondisian Lingkungan atas segala keceriaan dan kebersamaan selama ini.

9. Teman – teman sesama pejuang tugas akhir atas kebersamaan dan solidaritas dalam memperjuangkan tugas akhir ini hingga selesai.

10. Seluruh keluarga dari penulis yang telah memberikan semangat dan doa.

11. Teman-teman angkatan 2012, kakak – kakak angkatan 2009, 2010, dan 2011 serta adik-adik angkatan 2013 dan 2014 atas segala kebersamaan selama penulis berkuliah. Penulis sangat menyadari bahwa laporan Tugas Akhir ini masih terdapat kekurangan. Oleh karena itu kritik dan saran yang membangun sangat dibutuhkan untuk menyempurnakan laporan tugas akhir ini.

Surabaya, 10 Juni 2016

Penulis

(15)

xv

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i

HALAMAN PENGESAHAN ... v

ABSTRAK ... ix

KATA PENGANTAR ... xiii

DAFTAR ISI ... xv

DAFTAR GAMBAR... xix

DAFTAR TABEL ... xxi

DAFTAR NOTASI ... xxiii

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Perumusan Masalah ... 3 1.3 Batasan Masalah ... 3 1.4 Tujuan Penelitian ... 4 1.5 Manfaat Penelitian ... 4 BAB II TEORI PENUNJANG 2.1 Kondensor ... 5

2.2 Water Cooler’s Channels ... 7

2.3 Pembangkit Listrik Tenaga Hidro-kinetik ... 8

2.4 Turbin Hidro-kinetik ... 9

2.5 Gearbox ... 13

2.6 Generator Induksi ... 14

2.7 Pulse Width Modulation Inverter ... 16

2.8 Three-Phase Transformer ... 20

2.9 Jala-jala (Grid) ... 24

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Diagram Alir Penelitian ... 25

(16)

xvi

3.3 Pengambilan Data ... 26

3.4 Diagram Blok Sistem dan Pemodelan ... 27

3.5 Perhitungan Efisiensi Sistem PLTH ... 39

3.6 Perbandingan Unjuk Kerja Turbin Hidro-kinetik ... 39

3.7 Analisis Hasil Pemodelan ... 40

BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN 4.1 Torsi Turbin Hidro-kinetik pada Pitch Angle 0o_pada Kecepatan Air 0-3m/s ... 41

4.2 Torsi Turbin Hidro-kinetik pada Pitch Angle 5 Derajat pada Kecepatan Air 0-3m/s ... 42

4.6 Daya, Tegangan dan Arus Generator Induksi pada Turbin Hidro-kinetik dengan Pitch Angle 0 Derajat pada Kecepatan Air 0-3m/s ... 45

4.7 Electromagnetic Torque dan Kecepatan Rotasi Generator Induksi pada Turbin Hidro-kinetik dengan Pitch Angle 0 Derajat pada Kecepatan Air 0-3 m/s ... 47

4.8 Tegangan DC, Tengangan Inverter dan Modulation Indeks pada DC/AC Inverter ... 48

4.9 Arus pada Diode 1-3 dan IGBT 1-2 pada DC/AC Inverter ... 49

4.10 Tegangan Tiga Fasa (VABC) dan Arus Tiga Fasa (IABC) pada DC/AC Inverter ... 49

4.11 Tegangan Output Inverter (VAB) dan Tegangan pada Jala-jala (Grid) ... 50

BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan ... 53

(17)

xvii

5.2 Saran ... 53 DAFTAR PUSTAKA ... 55

(18)

xviii

(19)

xix

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Siklus sederhana PLTU ... 5

Gambar 2.2 Air cooled condenser ... 6

Gambar 2.3 Water Cooled Condenser ... 6

Gambar 2.4 Evaporate Condenser ... 7

Gambar 2.5 Skema water cooler’s channel... 8

Gambar 2.6 Skema PLTH ... 9

Gambar 2.7 Turbin horyzontal axis ... 11

Gambar 2.8 Turbin vertical axis ... 12

Gambar 2.9 Gearbox ... 13

Gambar 2.10 Winding pada generator induksi ... 14

Gambar 2.11 Rangkaian single-phase PWM dengan IGBTs ... 18

Gambar 2.12 Komparator pada transistor ... 18

Gambar 2.13 Tegangan referensi komparator ... 19

Gambar 2.14 Output rangkaian PWM dengan sinusoidal control voltage ... 19

Gambar 2.15 Skema Transformer dengan sambungan wye-wye ... 21

Gambar 2.16 Skema Transformer dengan sambungan wye-delta ... 22

Gambar 2.17 Skema Transformer dengan sambungan delta-wye ... 23

Gambar 2.18 Skema Transformer dengan sambungan delta-delta ... 24

Gambar 2.19 Diagram sederhana electrical grid ... 24

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ... 25

Gambar 3.2 Water cooler’s channel PLTU ... 26

Gambar 3.3 Diagram blok sistem PLTH ... 27

Gambar 3.4 Pemodelan keseluruhan sistem PLTH ... 28

Gambar 3.5 Pemodelan sub-sistem trubin hidro-kinetik ... 30

Gambar 3.6 Pemodelan sub-sistem generator induksi ... 32

Gambar 3.7 Pemodelan sub-sistem DC-AC inverter ... 35

Gambar 3.8 Pemodelan sub-sistem jala-jala (grid) ... 37

(20)

xx

Gambar 4.1 Torsi turbin hidro-kinetik pada pitch angle

0 derajat pada kecepatan air 0-3m/detik ... 41 Gambar 4.2 Torsi turbin hidro-kinetik pada pitch angle

5 Derajat pada kecepatan air 0-3m/detik... 42 Gambar 4.3 Torsi turbin hidro-kinetik pada pitch angle

20 derajat pada kecepatan air 0-3m/detik ... 45 Gambar 4.6 Daya, tegangan dan arus generator induksi

pada turbin hidro-kinetik dengan pitch angle

0 derajat pada kecepatan air 0-3m/detik ... 46 Gambar 4.7 Electromagentic torque dan kecepatan rotasi

generator induksi pada turbin hidro-kinetik dengan

pitch angle 0 derajat pada kecepatan air 0-3m/detik . 47 Gambar 4.8 Tegangan DC, tengangan inverter dan modulation

indeks pada DC-AC inverter ... 48 Gambar 4.9 Arus pada diode 1-3 dan IGBT 1-2 pada

DC-AC inverter ... 49 Gambar 4.10 Tegangan tiga fasa (VABC) dan arus tiga fasa

(IABC) pada DC-AC inverter ... 50

Gambar 4.11 Tegangan output inverter (VAB) dan tegangan

(21)

xxi

(22)

xxii

(23)

xxiii

DAFTAR NOTASI

𝑣 = kecepatan air (m/s)

𝑔 = percepatan gravitasi (m/s2) 𝜌 = densitas air (kg/m3)

𝑃 = daya mekanik turbin (W) 𝐷 = diameter turbin (m)

𝜏 = torsi turbin/torsi propeller (Nm)

𝜔_𝑚 = kecepatan anguler rotor generator (rad/s)

𝜔_𝑟 = kecepatan elektrik angular rotor generator (rad/s) 𝜃_𝑚 = posisi angular rotor generator (rad)

𝑇_𝑒 = torsi elektrik (Nm) 𝑇_𝑚 = torsi mekanik (Nm)

J = koefisien inersia rotor dan beban H = konstanta inersia rotor dan beban F = koefisien gesek beban rotor dan beban 𝑛 = gear ratio

𝜔_𝑠 = synchronous speed (rad/s)

𝜑_𝑞𝑠

=

fluks magnetik stator sumbu q(Wb) 𝜑𝑑𝑠

=

fluks magnetik stator sumbu d (Wb) 𝜑𝑞𝑟

=

fluks magnetik rotor sumbu q (Wb)

𝜑𝑑𝑟 = fluks magnetik rotor sumbu d (Wb)

𝑅_𝑠 = resistansi stator (Ω) 𝑅_𝑟 = resistansi rotor (Ω) 𝐼_𝑞𝑠 = arus stator sumbu q (A) 𝐼_𝑑𝑠 = arus stator sumbu d (A) 𝐼_𝑞𝑟 = arus rotor sumbu q (A) 𝐼_𝑑𝑟 = arus rotor sumbu d (A)

𝐿_𝑙𝑠 = kebocoran induktansi stator (Wb/A) 𝐿_𝑙𝑟 = kebocoran induktansi rotor (Wb/A) 𝐿_𝑚 = induktansi magnetik (Wb/A)

𝐿_𝑠 = total induktansi stator (Wb/A) 𝐿_𝑟 = total induktansi rotor (Wb/A) 𝑉_𝑞𝑠 = tegangan stator sumbu q (V)

(24)

xxiv

𝑉_𝑑 = tegangan stator sumbu d (V) 𝑉_𝑞𝑟 = tegangan rotor sumbu q (V) 𝑉_𝑑𝑟 = tegangan rotor sumbu d (V) s = slip rotor

𝑃_{𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒} = daya aktif generator (W) 𝑃_{𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡} = daya reactive generator (W)

𝛽

=

pitch angle (

⁰

)

p

=

jumlah pasangan pole generator

𝑍₁ = jumlah teeth gear input

𝑍₂ = jumlah teeth gear output 𝑁₁ = kecepatan putaran gear input 𝑁₂ = kecepatan putaran gear output

𝑉_𝑝(𝑡) = tegangan primer terhadap waktu (V) 𝑉_𝑠(𝑡) = tegangan sekunder terhadap waktu (V) 𝑁_𝑝 = jumlah lilitan primer

𝑁_𝑠 = jumlah lilitan sekunder 𝑎 = rasio tegangan

𝑖

_𝑝

(𝑡)

= arus primer terhadap waktu (A)

𝑖

_𝑠

(𝑡)

= arus sekunder terhadap waktu (A)

𝑃

_𝑜𝑢𝑡 = daya keluaran transformator (W)

𝑃

_𝑖𝑛 = daya masukan transformator (W)

𝑉_𝑝 = tegangan primer (V) 𝐼_𝑝 = arus primer (A)

𝜃

_𝑝 = sudut antara tegangan dan arus primer (rad)

𝜃

_𝑠 = sudut antara tegangan dan arus sekunder (rad)

𝑄

_𝑖𝑛 = daya reaktif masukan (W)

𝑄

_𝑜𝑢𝑡 = daya reaktif keluaran (W)

𝑆

_𝑖𝑛 = daya semu masukan (W)

𝑆

_𝑜𝑢𝑡 = daya semu keluaran (W)

𝑍

_𝐿 = impedansi (Ω)

𝑉

_𝜙𝑃

=

tegangan primer setiap fasa (V)

𝑉

_𝜙𝑆

=

tegangan sekunder setiap fasa (V)

𝑉_𝑇 = tegangan suhu dioda (V) 𝑉_𝐷 = tegangan dioda (V)

(25)

xxv

𝐼_𝑆 = arus saturasi dioda (A) 𝑛 = faktor keidealan diode m = modulation index

𝑉_𝑟𝑒𝑓 = amplitudo dari sinyal referensi 𝑉_𝑐𝑎𝑟 = amplitudo dari sinyal pembawa

(26)

xxvi

(27)

1 BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Bagian terpenting dalam proses kondesasi uap air dari suatu PLTU adalah Cooling Tower. Cooling tower berfungsi membuang panas air pendingin yang keluar dari kondenser kemudian diumpankan kembali pada kondenser. Sebagian besar air digunakan untuk mengkondensasikan uap yang keluar dari turbin. Sebagai asumsi, untuk kenaikan 10 derajat celcius pada pembangkit listrik berkapasitas 400 mW dibutuhkan sekitar 200 ribu galon per menit (gpm) atau sekitar 12.7 ribu liter per detik (l/dt) berupa air pendingin [1]. Sedangkan kapasitas PLTU Paiton adalah 800 mW dan setiap tahun membangkitkan listrik rata-rata 5.606,18 gWh [2]. Pada umumnya, air pendingin tersebut diambil dari sumber air yang sangat berlimpah, misalnya laut, danau atau sebuah sungai besar yang dialirkan melalui suatu kanal water cooler yang kemudian dikembalikan lagi ke sumber asalnya [1]. Jika dilihat dari besarnya kebutuhan air pendingin pada suatu PLTU Paiton maka, terdapat potensi untuk pembangunan pembangkit listrik tenaga hidro-kinetik dengan memanfaatkan aliran kanal water cooler. Pembangkit listrik tenaga hidro-kinetik dapat menghasilkan energi listrik dengan memanfaatkan gelombang laut, arus pasang surut, aliran sungai, arus laut dan panas dari laut [3].

Terdapat dua jenis pembangkit listrik tenaga hidro-kinetik, yaitu berdasarkan arus dan berdasarkan ombak. Pembangkit listrik tenaga hidro-kinetik berdasarkan arus dibagi menjadi empat kategori, yaitu arus sungai, arus tidal, arus laut, irigasi dan kanal buatan. Generasi terbaru pembangkit listrik tenaga hidro-kinetik dapat mengasilkan listrik dengan menafaatkan aliran air tanpa memberikan dampak buruk terhadap lingkungan [3]. Kelebihan dari energi yang dihasilkan oleh pembangkit listrik tenaga hidro-kinetik antara lain mudah diprediksi, dapat diramal, ramah lingkungan, tidak mencemari air, tidak menghasilkan

(28)

2

emisi dan kebisingan [4]. Dengan menggunakan turbin hidro-kinetik 12 juta GW/h dapat dihasilkan pada sungai besar [5]. Turbin hidro-kinetik dirancang untuk bekerja pada aliran air dengan kecepatan 2-4m/ detik sedangkan turbin angin berkisar antara 11-13 m/detik [6]. Namun air mempunyai massa jenis 835 kali lebih besar daripada angin. Untuk arus laut sendiri diperkirakan dapat menghasilkan listrik hingga 5000 gW [7]. Sehingga dengan mempertimbangkan beberapa fakta tersebut, pembangkit listrik tenaga hidro-kinetik terlihat sangat menjanjikan dan menghasilkan energi yang lebih besar dibandingkan angin [8].

Pemodelan dan simulasi pada suatu sistem pembangkit listrik merupakan hal yang penting sebelum sistem tersebut direalisasikan. Melalui pemodelan dan simulasi dapat dilakukan penelitian mengenai karakteristik dinamik dari suatu pembangkit listrik [9]. Dengan menggunakan Matlab Simulink dapat dibuat suatu model sistem pembangkit listrik dengan fleksibilitas yang tinggi dan mengikuti model yang dibutuhkan [10]. Matlab Simulink adalah software yang handal dan dapat digunakan untuk mempelajari sistem dinamik dan non linier. Dengan Matlab Simulink, simulasi model dapat dibangun secara sistematis dimulai dari sub-model sederhana. Kelebihan utama Matlab Simulink dibandingkan dengan software pemrograman lainnya adalah pada proses kompilasi kode program, simulasi model dapat dibangun secara sistematis menggunakan diagram blok fungsi sederhana. Matlab Simulink dapat digunakan untuk mempelajari dinamika model dari suatu sistem pembangkit listrik tenaga air, termasuk perilaku dinamik generator listrik yang bergantung pada turbin air yang juga sangat penting untuk dipelajari [11].

Pada pengerjaan tugas akhir ini akan dilakukan analisa pemodelan pembangkit listrik tenaga hidro-kinetik dengan memanfaatkan energi yang berasal dari aliran air pada kanal

water cooler di PLTU Paiton dengan menggunakan software

(29)

3

1.2 Perumusan masalah

Dari paparan latar belakang pada penelitian ini, maka permasalahan yang muncul antara lain:

a. Bagaimana pengaruh variasi pitch angle tergadap torsi yang dihasilkan oleh turbin hidro-kinetik pada kecepatan air 0-3 m/detik?

b. Bagaimana karakteristik daya aktif, daya reaktif, tegangan dan arus listrik yang dihasilkan oleh generator induksi ketika turbin dikenai air dengan kecepatan 0-3 m/detik?

c. Bagaimana karakteristik torsi elektrik dan rpm generator induksi ketika turbin dikenai air dengan kecepatan 0-3 m/detik?

d. Bagaimana karakteristik tegangan DC, tegangan inverter dan

modulation index pada DC-AC inverter ketika turbin dikenai air dengan kecepatan 0-3 m/detik?

e. Bagaimana karakteristik tegangan tiga fasa dan arus tiga fasa yang dihasilkan oleh DC-AC inverter ketika turbin dikenai air dengan kecepatan 0-3 m/detik?

f. Bagaimana karakteristik arus pada diode 1 dan 3 serta arus pada Implement Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) pada rangkaian DC-AC inverter ketika turbin dikenai air dengan kecepatan 0-3 m/detik?

g. Bagaimana karakterisitk tegangan pada load dan tegangan pada jala-jala (grid) ketika turbin dikenai air dengan kecepatan 0-3 m/detik?

1.3 Batasan masalah

Adapun batasan masalah yang diberikan pada penelitian ini antara lain:

a. Air pada kanal water cooler dianggap air biasa dengan densitas 1000 kg/m3_.

b. Penelitian berfokus pada komponen turbin, generator, DC-AC inverter dan jala-jala (grid).

c. Penelitian tidak ditekankan pada konstruksi sistem Pembangkit Listrik Tenaga Hidro-kinetik.

(30)

4

d. Arah datangnya air tegak lurus terhadap permukaan turbin Hidro-kinetik.

e. Kecepatan air pada kanal water cooler adalah 0-3 m/detik.

1.4 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan yang ingin dicapai pada penelitian kali ini antara lain:

a. Mengetahui pengaruh pitch angle terhadap torsi turbin hidro-kinetik.

b. Mengetahui karakteristik daya aktif, daya reaktif, tegangan dan arus listrik yang dihasilkan oleh generator induksi ketika turbin dikenai air dengan kecepatan 0-3 m/detik.

c. Mengetahui karakteristik torsi elektrik dan rpm generator induksi ketika turbin dikenai air dengan kecepatan 0-3 m/detik.

d. Mengetahui karakteristik tegangan DC, tegangan inverter

dan modulation index pada DC-AC inverter ketika turbin dikenai air dengan kecepatan 0-3 m/detik.

e. Mengetahui karakteristik tegangan tiga fasa dan arus tiga fasa yang dihasilkan oleh DC-AC inverter ketika turbin dikenai air dengan kecepatan 0-3 m/detik.

f. Mengetahui karakteristik arus pada diode 1 dan 3 serta arus pada Implement Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) pada rangkaian DC-AC inverter ketika turbin dikenai air dengan kecepatan 0-3 m/detik.

g. Mengetahui karakterisitk tegangan pada load dan tegangan pada jala-jala (grid) ketika turbin dikenai air dengan kecepatan 0-3 m/detik.

1.5 ManfaatPenelitian

Manfaat dari penelitian dalam tugas akhir ini adalah untuk mengetahui seberapa besar torsi yang dihasilkan dari turbin hidro-kinetik, karakteristik generator induksi, karakteristik DC-AC

inverter dan karakteristik tegangan jala-jala (grid) pada sistem Pembangkit Listrik Tenaga Hidro-kinetik.

(31)

5 BAB II

TEORI PENUNJANG

2.1 Kondensor

Kondensor merupakan alat penukar panas yang berfungsi untuk mengkondensasikan suatu fluida dari bentuk gas menjadi bentuk cair dengan cara menurunkan temperaturnya. Pada kondisi aktual, fluida tersebut menghasilkan kalor laten kemudian

di-transfer-kan ke pendingin kondesat. Pada umumnya kondensor digunakan pada sistem pengkondisian udara, industri proses kimia, PLTU ataupun sistem penukar panas lainnya. Sebagian besar kondensor menggunakan air atau udara di sekitarnya sebagai pendingin. Pada PLTU, kondensor berfungsi untuk mengkondensasikan uap keluaran dari turbin dan merubahnya menjadi bentuk cair. Air yang telah berubah fasa menjadi cair kemudian diumpankan kembali pada steam generator atau boiler

pada PLTU [1].

Gambar 2.1 Siklus sederhana PLTU

Berdasarkan jenis media pendingin yang digunakan, kondensor dibagi menjadi beberapa jenis, antara lain [2]:

(32)

6

Kondesor yang memanfaatkan udara sebagai pendingin kondensatnya.

Gambar 2.2 Air cooled condenser b. Water Cooled Condenser

Kondensor yang memanfaatkan cairan sebagai pendingin kondensatnya. Beberapa macam cairan yang dimanfaatkan sebagai media pendingin kondensat, yaitu: air, freon, dan ammonia. Pada umumnya kondensor yang sering digunakan pada PLTU adalah jenis shell and tube condenser. Air pendingin diambil dari sumber air di sekitar PLTU, misal: danau, sungai, dan laut.

(33)

7

c. Evaporative Condenser

Kondensor yang memanfaatkan kombinasi udara dan air sebagai media pendinginnya.

Gambar 2.4 Evaporative Condenser

2.2 Water Cooler’s Channels

Air pendingin yang digunakan kondensor PLTU pada umumnya menggunakan air laut yang sebelumnya melewati beberapa proses, antara lain : bar screen, traveling screen, screen wash pump, cooling water pump (CWP), setelah itu ditampung di

box culvert, kemudian dimanfaatkan sebagai media pendingin pada kondensor. Setelah keluar dari kondensor, air pendingin tersebut akan menuju saluran yang disebut discharge channel. Saluran ini berfungsi untuk mengalirkan air pendingin menuju suatu kanal utama atau water cooler’s channel sebelum dikembalikan lagi ke laut [3]. Berikut adalah Skema dari water cooler’s channel.

(34)

8

Gambar 2.5 Skema water cooler’s channel

Terlihat pada Gambar 2.5 air laut dialirkan menuju kondensor dengan menggunakan pompa melawati water cooler’s channel

kemudian di alirakan kembali ke sumber asalnya.

2.3 Pembangkit Listrik Tenaga Hidro-kinetik

Pembangkit Listrik Tenaga Hidro-kinetik (PLTH) merupakan sebuah sistem pembangkitan listrik yang memanfaatkan energi kinetik pada aliran sungai, arus pasang surut ataupun aliran pada kanal buatan untuk menghasilkan energi listrik. Berbeda dengan pembangkit listrik tenaga air konvensinal yang menggunakan water head dari konstruksi bendungan atau

penstock, pembangkit listrik tenaga hidro-kinetik memanfaatkan suatu aliran air tanpa mengubah atau memodifikasi jalur dari aliran air tersebut. Jenis PLTH dapat dibagi berdasarkan beberapa golongan, antara lain:

a. Berdasarkan sumber energi hidro-kinetik yang digunakan:

 PLTH yang menggunakan aliran,

 PLTH yang menggunakan gelombang. b. Berdasarkan jenis aliran yang digunakan:

 Aliran sungai,

 Aliran pasang surut,

 Aliran air laut,

(35)

9 Prinsip kerja PLTH yaitu, energi kinetik dari aliran air dikonversi menjadi energi mekanik oleh turbin yang kemudian digunakan untuk memutar generator untuk menghasilkan energi listrik. Sedangkan skema dari sistem PLTH berikut komponen-komponen utamanya dapat dilihat pada gambar berikut ini [4].

Gambar 2.6 Skema PLTH

2.4 Turbin Hidro-kinetik

Turbin Hidro-kinetik merupakan bagian yang berfungsi untuk merubah energi kinetik aliran air menjadi energi mekanik berupa torsi. Sejumlah energi dapat dihasilkan dari aliran air berdasarkan volume dan kecepatan aliran air. Turbin ini dapat beroperasi pada aliran air dengan kecepatan 0.5 m/s atau lebih. Prinsip kerja turbin hidro-kinetik hampir sama dengan turbin angin. Total energi yang dikonversi oleh turbin sebanding dengan massa jenis fluida kerja, area kerja turbin, kecepatan aliran pangkat tiga dan koefisien unjuk-kerja turbin.

𝑃_𝑎 = 1

2× 𝐴 × 𝜌 × 𝑉

3 _{× 𝐶}

𝑝 (2.1)

Dengan A adalah area kerja turbin (m2_),_ρ_{adalah massa jenis air}

(1000 kg/m3_),_V_{adalah kecepatan aliran air (m/s) dan}_C

p adalah

koefisien unjuk kerja turbin (maksimal daya teoritis adalah 0,592).

Turbin hidro-kinetik merupakan turbin tanpa head. Turbin ini menghasilkan listrik menggunakan energi kinetik yang berasal

(36)

10

dari aliran air yang terdiri atas berbagai jenis rotor. Radius turbin dapat dihitung menggunakan Persamaan 2.2. Koefisien unjuk-kerja turbin adalah fungsi non linier dari tip speed ratio dan pitch angle.

𝑃_𝑎 = 1

2× 𝜋 × 𝑟

2 _{× 𝜌 × 𝑉}3 _{× 𝐶}

𝑝(𝜆, 𝛽) × 𝜇𝐷 (2.2) Dengan r adalah jari-jari turbin (m), ƞ adalah efisiensi dari bagian yang lain, misalnya generator, gearbox, dan lain-lain, λ adalah tip speed ratio, dan β adalah pitch angle (derajat) turbin. Tip speed ratio dapat ditulis sebagai berikut.

𝜆 = 𝑤×𝑟

𝑉 (2.3)

Dengan w adalah kecepatan angular dari turbin (rad/s).

Hubungan antara koefisien unjuk-kerja, tip speed ratio dan

pitch angle dari turbin dapat dirumuskan sesuai dengan Persamaan 2.4 dan Persamaan 2.5.

𝐶_𝑝(𝜆, 𝛽) = 𝐶₁(𝐶2 𝜆₁ − 𝐶3𝛽 − 𝐶4) 𝑒 −𝐶5 𝜆𝑖 _{+ 𝐶}₆_𝜆 (2.4) 1 𝜆_𝑖 = 1 𝜆+0.08𝛽 − 0.035 𝛽3₊₁ (2.5)

Nilai dari koefisien C1 = 0.5176, C2 = 116, C3 = 0.4, C4 = 5, C5 =

21, dan C6 = 0.0068.

Jenis turbin yang digunakan pada PLTH skala kecil pada umumnya menggunakan turbin axial-flow dan cross-flow. Pemilihan jenis turbin berdasarkan pada jenis aliran, kecepatan aliran dan keluaran daya yang diinginkan. Turbin jenis axial-flow

atau disebut juga turbin horizontal mempunyai sumbu axis sejajar dengan arah aliran fluida kerja. Beberapa jenis turbin axial-flow

(37)

11 digunakan pada sistem pembangkit listrik skala kecil di sungai. Sedangkan turbin axial-flow yang lain sering digunakan pada pembangkit listrik di wilayah laut.

a. Inclined axis b. Rigid Mooring

c. Non-submerger Generator d. Submerged Generator Gambar 2.7 Turbin horyzontal axis

Turbin cross-flow sesuai dengan Gambar 2.8 mempunyai sumbu rotor axis tegak lurus dengan arah aliran air atau sejajar dengan permukaan air. Turbin ini dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu turbin vertical axis dan in-plane axis. Turbin jenis in-plane

(a) pada umumnya memanfaatkan gaya drag dan mempuyai efisiensi lebih rendah jika dibandingkan gaya lift-nya. Turbin

cross-flow jenis lainnya pada umumnya digunakan pada pembangkit listrik yang memanfaatkan arus sungai [5].

(38)

12

(a) In-plane axis (b) Squirrel cage Darrieus

(c) H-Darrieus (d) Darrieus

(e) Golov (f) Savonius Gambar 2.8 Turbin vertical axis

(39)

13 2.5 Gearbox

Gearbox berfungsi sebagai transformation ratio, yaitu untuk meningkatkan kecepatan rotasi turbin air yang rendah agar sesuai dengan kecepatan rotasi dari generator [6].

Gambar 2.9 Gearbox

Pada gearbox terdapat istilah yang disebut gear ratio. Gear ratio

merupakan perbandingan antara jumlah putaran yang dihasilkan gear output (driving gear) terhadap jumlah putaran gear input (drive gear) yang keduanya berbeda ukuran. Jika diketahui gear ratio dan kecepatan putaran gear input, maka dapat diketahui kecepatan putaran gear output.

𝑁₁𝑍₁ = 𝑁₂𝑍₂ (2.6) 𝑁₁𝑍1

𝑍₂ = 𝑁2 (2.7)

𝑁₁𝑛 = 𝑁₂ (2.8)

𝑍₁ = jumlah teeth gear input 𝑍₂ = jumlah teeth gear output 𝑁₁ = kecepatan putaran gear input 𝑁₂ = kecepatan putaran gear output N = gear ratio

(40)

14

2.6 Generator Induksi

Generator induksi atau generator asynchronous merupakan jenis generator AC. Generator induksi bekerja berdasarkan prinsip aksi dan reaksi induksi elektromagnetik. Energi elektromekanik yang dihasilkan adalah bersifat reversible. Generator induksi dapat berfungsi sebagai motor listrik. Generator induksi mempunyai belitan winding tiga fasa pada bagian stator (AS, BS,

CS) dan winding tiga fasa pada rotor (AR, BR, CR) seperti yang

terlihat pada Gambar 2.10. Stator adalah bagian luar yang diam dan rotor adalah bagian dalam yang bergerak. Rotor terletak di bagian tengah stator dan dipasang menggunakan bearing. Ketika

windding stator diberi masukan arus tiga fasa, sebuah rotasi medan magnetik akan terbentuk. Kemudian torsi mekanik (misalnya torsi yang dihasilkan turbin) dikenakan pada bagian rotor dan berotasi diatas kecepatan synchronous-nya, maka akan dihasilkan energi listrik. Kecepatan angular dari rotasi medan magnetik disebut kecepatan synchronous (ωs).

Gambar 2.10 Winding pada generator induksi

Pada sistem pembangkit listrik, model generator induksi dibagi menjadi dua macam, yaitu model detail dan model sederhana. Model detail mencakup kondisi transien pada

(41)

15 rangkaian stator dan rotor. Sedangkan model sederhana tidak mencakup kondisi tersebut. Model yang lebih umum adalah yang kedua. Berikut adalah beberapa persamaan matematis model generator induksi sederhana [7].

a. Fluks Magnetik

𝜑_𝑠𝑑 = 𝑋_𝑠𝐼_𝑠𝑑 + 𝑋_𝑚𝐼_𝑟𝑑 (2.9a) 𝜑_𝑠𝑞 = 𝑋_𝑠𝐼_𝑠𝑞 + 𝑋_𝑚𝐼_𝑟𝑞 (2.9b) 𝜑_𝑟𝑑 = 𝑋_𝑟𝐼_𝑟𝑑 + 𝑋_𝑚𝐼_𝑠𝑑 (2.9c) 𝜑_𝑟𝑞 = 𝑋_𝑟𝐼_𝑟𝑞 + 𝑋_𝑚𝐼_𝑠𝑞 (2.9d) 𝜑_𝑠𝑑 = fluks magnetik stator sumbu d

𝜑_𝑠𝑞 = fluks magnetik stator sumbu q 𝜑_𝑟𝑑 = fluks magnetik rotor sumbu d 𝜑_𝑟𝑞 = fluks magnetik rotor sumbu q 𝑋_𝑠 = reaktansi stator

𝑋_𝑟 = reaktansi rotor

𝑋_𝑚 = reaktansi magnetisasi 𝐼_𝑠𝑑 = arus stator sumbu d 𝐼_𝑠𝑞 = arus stator sumbu q 𝐼_𝑟𝑑 = arus rotor sumbu d 𝐼_𝑟𝑞 = arus rotor sumbu q b. Tegangan 𝑉_𝑠𝑑 = −𝑅_𝑠𝐼_𝑠𝑑 + 𝜔_𝑠𝜑_𝑠𝑞 − 𝑑𝜑𝑠𝑑 𝑑𝑡 (2.10a) 𝑉_𝑠𝑞 = −𝑅_𝑠𝐼_𝑠𝑞 − 𝜔_𝑠𝜑_𝑠𝑑 − 𝑑𝜑𝑠𝑞 𝑑𝑡 (2.10b) 0 = −𝑅_𝑟𝐼_𝑟𝑑 + 𝑠𝜔_𝑠𝜑_𝑟𝑞 − 𝑑𝜑𝑟𝑑 𝑑𝑡 (2.10c) 0 = −𝑅_𝑟𝐼_𝑟𝑞 − 𝑠𝜔_𝑠𝜑_𝑟𝑑 − 𝑑𝜑𝑟𝑞 𝑑𝑡 (2.10d)

(42)

16

𝑉_𝑠𝑑 = tegangan stator sumbu d 𝑉_𝑠𝑞 = tegangan stator sumbu q 𝑅_𝑠 = resistansi stator

𝑅_𝑟 = resistansi rotor c. Slip Rotor

Slip rotor (s) bernilai positif ketika beroperasi pada mode motor listrik dan bernilai negatif pada mode generator. .

𝑠 = 𝜔𝑠 −𝜔𝑔

𝜔_𝑠 (2.11)

d. Torsi Elektrik

Torsi Elektrik (Te) bernilai postif ketika beroparasi pada

mode motor listrik dan bernilai negatif pada mode generator.

𝑇_𝑒 = 𝜑_𝑞𝑟𝐼_𝑑𝑟 − 𝜑_𝑑𝑟𝐼_𝑞𝑟 (2.12) e. Daya (P), Daya Aktif (Pactive) dan Daya Reaktif (Preactive)

𝑃 = 𝑉_𝑑𝑠𝐼_𝑑𝑠 + 𝑉_𝑞𝑠 + 𝐼_𝑞𝑠 + 𝑉_𝑞𝑠𝐼_𝑑𝑠 − 𝑉_𝑑𝑠𝐼_𝑞𝑠 (2.13)

𝑃_{𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒} = 𝑉_𝑑𝑠𝐼_𝑑𝑠 + 𝑉_𝑞𝑠𝐼_𝑞𝑠 (2.14)

𝑃_{𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒} = 𝑉_𝑞𝑠𝐼_𝑑𝑠 − 𝑉_𝑑𝑠𝐼_𝑞𝑠 (2.15) 2.7 Pulse Width Modulation (PWM) Inverter

Alat listrik yang berfungsi untuk mengkonversi tegangan DC menjadi AC disebut inverter. Modern inventer mempunyai dua sumber tegangan DC. Tegangan AC dihasilkan melalui proses

switching antar kedua sumber DC pada inverter pada frekuensi tinggi. Switching frekuensi tinggi pada inverter menggunakan semikonduktor jenis switching (misalnya transistor) [8].

Inverter dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis berdasarkan cara kerjanya, yaitu:

(43)

17 a. Voltage Source Inverters (VSI)

b. Current Source Inverters (CSI)

Current Source Inverters diberi masukan dari sumber arus DC dengan impedansi tinggi, misalnya sumber arus DC yang sangat kuat. Pada CSI diberi masukan arus DC yang sangat kuat hingga keluaran arus berbentuk gelombang dan tidak berubah terhadap perubahan beban. Sedangakan Voltage Source Inveters

menggunakan sumber arus DC yang sangat kecil dengan impedansi yang dapat diabaikan. Namun, VSI menggunakan sumber tegangan DC yang sangat kuat pada input terminalnya. CSI tidak membutuhkan diode yang berfungsi sebagai feedback,

sedangkan VSI masih membutuhkannya [9].

Pulse Width Modulation (PWM) adalah suatu teknik dimana masukan tegangan DC dikonversi menjadi tegangan AC dengan cara mengatur periode switching kontroler pada inverter [9]. Konsep dasar dari PWM dapat diilustrasikan pada Gambar 2.11, Gambar 2.12 dan Gambar 2.13. Gambar 2.11 menunjukkan sebuah rangkaian PWM inverter single-phase dengan menggunakan Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT). IGBT1

dan IGBT4 pada rangkaian dikontrol oleh dua komparator yang

ditunjukkan pada Gambar 2.12. Komparator adalah suatu komponen yang berfungsi untuk membandingkan tegangan input

vin(t) terhadap sinyal referensi dan melakukan switching on-off

pada transistor berdasarkan hasil perbandingan. Komparator A membandingkan tegangan vin(t) terhadap tegangan referensi vx(t)

dan mengontrol T1 IGBT dan T2 IGBT berdasarkan hasil

perbandingan. Kemudian Komparator B membandingkan tegangan vin(t) terhadap tegangan referensi vy(t) dan mengontrol

T3 IGBT dan T4 IGBT berdasarkan hasil perbandingan. Jika vin(t)

lebih besar daripada vx(t) pada waktu t, maka komparator A akan

melakukan turn on T1 IGBT dan turn off T2 IGBT kemudian

terjadi turn off T1 IGBT dan turn on T2 IGBT dan seterusnya. Hal

yang sama juga terjadi pada komparator B, jika vin(t) lebih besar

daripada vy(t) pada waktu t, maka komparator B akan melakukan

(44)

18

T3 IGBT dan turn on T4 IGBT dan seterusnya. Tegangan referensi

vx(t) dan vy(t) dapat ditunjukkan pada Gambar 2.13.

Gambar 2.11 Rangkaian single-phase PWM dengan IGBTs

(45)

19

Gambar 2.13 Tegangan referensi komparator

Ketika sebuah sinusoidal control voltage diaplikasikan pada rangkaian inverter maka width barisan pulsa yang dihasilkan akan bervariasi membentuk pola sinusoidal yang bergantung pada kontrol voltase tersebut. Hal itu dapat diilustrasikan pada Gambar 2.14.

Gambar 2.14 Output rangkaian PWM dengan sinusoidal control voltage

(46)

20

Sebuah PWM inverter tiga fasa tediri atas tiga inverter satu fasa yang memiliki control voltages sinusoidal dengan sudut geser antar fasa sebesar 1200_{. Kontrol frekuensi pada PWM}

inverter adalah dengan cara merubah frekuensi input pada control voltage [10].

2.8 Three-Phase Transformer

Transformer adalah sebuah alat yang berfungsi untuk merubah energi listrik AC pada suatu level tegangan tertentu ke energi listrik AC pada level tegangan yang lainnya dengan memanfaatkan medan magnetik. Transformer terdiri atas dua atau lebih coil, yaitu berupa belitan windding pada sebuah inti

ferromagnetic. Coil ini pada umumnya tidak saling terhubung secara langsung. Masing-masing coil dihubungakan oleh flux magnetic yang dihasilkan oleh masing-masing inti ferromagnetic

[10].

Transformer untuk rangkaian tiga fasa dapat menggunakan satu transformer tiga fasa atau menggunakan tiga tranformer satu fasa yang terpisah. Transformer tiga fasa sebenarnya terdiri atas tiga transformer yang dijadikan satu dalam satu core atau inti. Bagian primary dan secondary dapat saling terhubung dengan sambungan tipe wye (Y) atau delta (Δ). Berdasarkan jenis-jenis sambungannya transformer dapat dibedakan menjadi empat jenis, yaitu:

a. Wye-wye (Y-Y)

Skema transformer dengan sambungan wye-wye ditunjukkan pada Gambar 2.15. Tegangan pada bagian

primary pada masing-masing fasa adalah VϕP = VLP / √3.

kemudian tegangan pada bagian secondary pada masing-masing fasa adalah VLS = √3 VϕS. Sehingga hubungan

antara keduanya dapat ditulis sesuai dengan Persamaan 2.15 dan selanjutnya disebut dengan voltage ratio.

𝑉_𝐿𝑃 𝑉_𝐿𝑆 =

√3𝑉𝜙𝑃

(47)

21

Gambar 2.15 Skema Transformer dengan sambungan

wye-wye b. Wye-delta (Y-Δ)

Skema transformer dengan sambungan wye-wye ditunjukkan pada Gambar 2.16. Hubungan antara

primary line voltage dengan primary phase voltage

adalah VLP = √3 VϕP. Sedangkan hubungan antara

secondary line voltage dengan secondary phase voltage

adalah VLS = VϕS . Sehingga voltage ratio dapat ditulis.

𝑉_𝐿𝑃

(48)

22

wye-delta c. Delta-wye (Δ-Y)

Skema transformer dengan sambungan delta-wye ditunjukkan pada Gambar 2.17. Hubungan antara

adalah VLP = VϕP. Sedangkan hubungan antara secondary

line voltage dengan secondary phase voltage adalah VLS

= √3 VϕS . Sehingga voltage ratio dapat ditulis.

√3

(49)

23

delta-wye d. Delta-delta (Δ-Δ)

Skema transformer dengan sambungan delta-wye ditunjukkan pada Gambar 2.18. Hubungan antara

adalah VLP = VϕP. Sedangkan hubungan antara secondary

line voltage dengan secondary phase voltage adalah VLS

= VϕS . Sehingga voltage ratio dapat ditulis.

𝑉_𝜙𝑃

(50)

24

delta-delta 2.9 Jala-jala (Grid)

Jala-jala (grid) adalah sebuah jaringan yang saling terhubung yang berfungsi untuk mendistribusikan energi listrik dari sumber listrik ke pemakai. Sistem jala-jala (grid) sendiri terdiri atas stasiun pembangkit listrik yang menghasilkan energi listrik, jalur distribusi bertegangan tinggi yang membawa energi listrik dari sumber ke pusat distribusi dan jalur distribusi yang terhubung hingga pemakai[11].

(51)

25

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Diagram Alir Penelitian

Berikut diagram alir penelitian pada tugas akhir ini.

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian

Tidak Ya Mulai Studi Literatur Pengambilan Data Pemodelan dengan Matlab Simulink Model Sudah Sesuai Harapan Variasi Parameter Input Analisis Hasil Pemodelan Penyusunan Laporan Selesai

(52)

26

3.2 Studi Literatur

Literatur yang menjadi dasar atau referensi pada penyusunan tugas akhir ini adalah literatur mengenai pemodelan Pembangkit Listrik Tenaga Hidro-kinetik (PLTH), mulai dari bagian turbin hidro-kinetik, persamaan matematis yang digunakan, generator induksi, DC-AC inverter, transformer dan jala-jala (grid). Selain literatur terkait pemodelan PLTH, juga digunakan literatur mengenai mengenai Simulink Matlab.

3.3 Pengambilan Data

Pengambilan data dilakukan di PT. PJB UP-Paiton pada bulan Oktober 2015. Pengambilan data dilakukan dengan melihat kondisi lapangan secara langsung serta wawancara dengan pihak PT. PJB UP-Paiton.

Gambar 3.2 Water cooler’s channel PLTU

Gambar 3.2 menunjukkan kondisi lapangan pada Water cooler’s channel PLTU yang akan dimanfaatkan menjadi sistem PLTH.

Water cooler’s channel PLTU mempunyai lebar sekitar 15 m dan kedalaman sekitar 10 m. Sedangkan kecepatan air pada kanal berkisar antara 1 hingga 3 m/detik.

(53)

27 3.4 Diagram Blok Sistem dan Pemodelan

Berikut adalah diagram blok pemodelan sistem PLTH ini.

Gambar 3.3 Diagram blok sistem PLTH

Aliran air pada Water cooler’s channel akan mendorong turbin hidro-kinetik sehingga turbin berputar dan menghasilkan torsi. Putaran turbin dihubungkan dengan rotor menggunakan gearbox. Putaran pada rotor generator menyebabkan generator menghasilkan tegangan listrik bolak-balik atau AC. Tegangan listrik bolak-balik disearahkan dengan menggunakan dioda

rectifier sehingga menghasilkan tegangan searah atau DC. Kemudian tegangan searah dikonversi menjadi tegangan listrik bolak-balik tiga fasa menggunakan DC-AC inverter. Tegangan listrik bolak-balik dinaikkan dengan menggunakan transformer

dan dihubungkan dengan jala-jala (grid). Berikut adalah ilustrasi singkat pemodelan sistem PLTH.

(54)

28

Gambar 3.4 Pemodelan keseluruhan sistem PLTH

Sistem terdiri dari 5 subsistem utama, yaitu turbin hidro-kinetik,

(55)

29 Input sistem:

- kecepatan air, dalam satuan m/s - pitch angle (β), dalam satuan derajat - Jari-jari turbin (R), dalam satuan meter Output sistem:

- torsi mekanik turbin hidro-kinetik (τ), dalam satuan Nm - tegangan generator, dalam satuan volt

- arus generator, dalam satuan ampere - daya generator (P), dalam satuan kilowatt

- kecepatan putaran rotor generator (ωg), dalam satuan rad/s

- torsi elektrik (Te) generator, dalam satuan Nm

- tegangan DC inverter (Vdc), dalam satuan volt - tegangan inverter (Vab), dalam satuan volt

- tegangan load pada inventer (Vab), dalam satuan volt - tegangan tiga fasa inverter (Vabc), dalam satuan volt

- tegangan pada jala-jala (grid) (Vgrid), dalam satuan kilovolt

- arus tiga fasa inverter (Iabc), dalam satuan ampere - arus diode 1 dan 3 inverter, dalam satuan ampere - arus IGBT 1 dan 2 inverter, dalam satuan ampere - modulation index inverter

3.4.1 Blok Sub-sistem Turbin Hidro-kinetik

Berikut adalah ilustrasi singkat pemodelan sub-sistem turbin hydrokinetic.

(56)

30

(57)

31 Input:

- kecepatan air, dalam satuan m/s

- pitch angle (β), dalam satuan derajat - jari-jari turbin (R), dalam satuan meter Output:

- torsi turbin (τ), dalam satuan Nm

Besarnya torsi yang dihasilkan oleh turbin hidro-kinetik adalah mengikuti persamaan matematis berikut ini.

𝑇 = 𝑃

𝜔 (3.1)

Daya yang dihasilkan oleh turbin hidro-kinetik adalah sebagai berikut.

𝑃_𝑎 = 1

2× 𝐴 × 𝜌 × 𝑉

3 _{× 𝐶}

𝑝 (3.2)

Koefisien unjuk-kerja turbin hidro-kinetik adalah sebagai berikut. 𝐶_𝑝(𝜆, 𝛽) = 𝐶₁(𝐶2 𝜆₁ − 𝐶3𝛽 − 𝐶4) 𝑒 −𝐶5 𝜆𝑖 _{+ 𝐶}₆_𝜆 (3.3) 1 𝜆_𝑖 = 1 𝜆+0.08𝛽 − 0.035 𝛽3₊₁ (3.4)

Nilai dari koefisien C1 = 0.5176, C2 = 116, C3 = 0.4, C4 = 5, C5 =

21, dan C6 = 0.0068.

3.4.3 Blok Sub-sistem Generator Induksi

Berikut adalah ilustrasi singkat pemodelan sub-sistem generator induksi.

(58)

32

(59)

33 Input:

- torsi turbin (τ), dalam satuan Nm Output:

- daya generator (P), dalam satuan kilowatt - tegangan generator, dalam satuan volt - arus generator, dalam satuan ampere

- torsi elektrik (Te), dalam satuan Nm

- tegangan tiga fasa generator (VABC), dalam satuan volt

Berikut adalah beberapa persamaan matematis model generator induksi :  Fluks magnetik 𝜑_𝑞𝑠 = 𝐿_𝑠𝑖_𝑞𝑠 + 𝐿_𝑚𝑖′_𝑞𝑟 (3.5a) 𝜑_𝑑𝑠 = 𝐿_𝑠𝑖_𝑑𝑠 + 𝐿_𝑚𝑖′_𝑑𝑟 (3.5b) 𝜑′_𝑞𝑟 = 𝐿′_𝑟𝐼′_𝑞𝑟 + 𝐿_𝑚𝑖_𝑞𝑠 (3.5c) 𝜑′_𝑑𝑟 = 𝐿′_𝑟𝑖′_𝑑𝑟 + 𝐿_𝑚𝑖_𝑑𝑠 (3.5d) 𝐿_𝑠 = 𝐿_𝑙𝑠 + 𝐿_𝑚 (3.5e) 𝐿′_𝑠 = 𝐿′_𝑙𝑠 + 𝐿_𝑚 (3.5e)  Tegangan 𝑉_𝑞𝑠 = 𝑅_𝑠𝑖_𝑞𝑠 + 𝑑𝜑𝑞𝑠 𝑑𝑡 + 𝜔𝜑𝑑𝑠 (3.6a) 𝑉_𝑑𝑠 = 𝑅_𝑠𝑖_𝑑𝑠 + 𝑑𝜑𝑑𝑠 𝑑𝑡 − 𝜔𝜑𝑞𝑠 (3.6b) 𝑉′_𝑞𝑟 = 𝑅′_𝑠𝑖′_𝑞𝑟 + 𝑑𝜑′𝑞𝑟 𝑑𝑡 + (𝜔 − 𝜔𝑟)𝜑′𝑑𝑟 (3.6c) 𝑉′_𝑑𝑟 = 𝑅′_𝑟𝑖′_𝑑𝑟 +𝑑𝜑′𝑑𝑟 𝑑𝑡 − (𝜔 − 𝜔𝑟)𝜑′𝑞𝑟 (3.6d)

(60)

34  Torsi Elektrik 𝑇_𝑒 = 1,5𝑝(𝜑_𝑑𝑠𝑖_𝑞𝑠 − 𝜑_𝑞𝑠𝑖_𝑑𝑠) (3.7)  Sistem Mekanik 𝑑 𝑑𝑡𝜔𝑚 = 1 2𝐻(𝑇𝑒 − 𝐹𝜔𝑚 − 𝑇𝑚) (3.8a) 𝑑 𝑑𝑡𝜃𝑚 = 𝜔𝑚 (3.8b)

 Daya (P), Daya Aktif (Pactive) dan Daya Reaktif (Preactive)

𝑃 = 𝑉_𝑑𝑠𝐼_𝑑𝑠 + 𝑉_𝑞𝑠 + 𝐼_𝑞𝑠 + 𝑉_𝑞𝑠𝐼_𝑑𝑠 − 𝑉_𝑑𝑠𝐼_𝑞𝑠 (3.9)

𝑃_{𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒} = 𝑉_𝑑𝑠𝐼_𝑑𝑠 + 𝑉_𝑞𝑠𝐼_𝑞𝑠 (3.10)

𝑃_{𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒} = 𝑉_𝑞𝑠𝐼_𝑑𝑠 − 𝑉_𝑑𝑠𝐼_𝑞𝑠 (3.11)

3.4.4 Blok Sub-sistem DC-AC Inverter

Berikut adalah ilustrasi singkat pemodelan sub-sistem DC-AC inverter.

(61)

35

(62)

36 Input:

- tegangan tiga fasa generator (VABC), dalam satuan volt

Output:

- tegangan DC inverter (Vdc), dalam satuan volt - tegangan inverter (Vab), dalam satuan volt

- tegangan load pada inventer (Vab), dalam satuan volt - tegangan tiga fasa inverter (Vabc), dalam satuan volt - arus diode 1 dan 3 inverter, dalam satuan ampere - arus IGBT 1 dan 2 inverter, dalam satuan ampere - modulation index inverter

- tegangan tiga fasa inverter (VABC), dalam satuan volt

Berikut adalah beberapa persamaan matematis pada model DC-AC Inverter :

 Arus pada diode 𝐼 = 𝐼_𝑠(𝑒

𝑉𝐷

𝑛𝑉𝑇 _{− 𝐼)} (3.12) 𝑉_𝑇 = 𝑘𝑇

𝑞 (3.13)

Besarnya tegangan suhu VT adalah 25.85 mV pada suhu

300 K dan 26 mV pada suhu normal. n adalah faktor keidealan dioda (n pada diode silikon berkisar antara 1-2)

 Modulation index IGBT 𝑚 = 𝑉𝑟𝑒𝑓

𝑉_𝑐𝑎𝑟 (3.14) 3.4.5 Blok Sub-sistem Jala-jala (Grid)

Berikut adalah ilustrasi singkat pemodelan sub-sistem jala-jala (grid).

(63)

37

Gambar 3.8 Pemodelan sub-sistem jala-jala (grid)

Berikut adalah beberapa persamaan matematis pada model transformator :

 Tegangan primer dan tegangan sekunder 𝑉_𝑝(𝑡)

𝑉_𝑠(𝑡) = 𝑁_𝑝

𝑁_𝑠 = 𝑎 (3.15)

 Arus primer dan arus sekunder

(64)

38

 Daya masukan dan daya keluaran

𝑃_𝑜𝑢𝑡 = 𝑉_𝑝𝐼_𝑝𝑐𝑜𝑠𝜃 = 𝑃_𝑖𝑛 (3.17a) 𝜃 = 𝜃_𝑝 − 𝜃_𝑠 (3.17b)

 Daya reaktif, daya semu dan impedansi

𝑄_𝑖𝑛 = 𝑉_𝑝𝐼_𝑝𝑠𝑖𝑛𝜃 = 𝑉_𝑠𝐼_𝑠𝑠𝑖𝑛𝜃 = 𝑄_𝑜𝑢𝑡 (3.18) 𝑆_𝑖𝑛 = 𝑉_𝑝𝐼_𝑝 = 𝑉_𝑠𝐼_𝑠 = 𝑆_𝑜𝑢𝑡 (3.19) 𝑍_𝐿 = 𝑉𝐿

𝐼_𝐿 (3.20)

 Transformator tiga fasa sambungan Y-Y 𝑉_𝐿𝑃

𝑉_𝐿𝑆 =

√3𝑉𝜙𝑃

√3𝑉𝜙𝑆 = 𝛼 (3.21) Berikut adalah beberapa persamaan matematis pada model kabel power :  Parameter RLC 𝑅₁ = 𝑟₁𝑙 sec 𝑘_𝑟1 (3.21a) 𝐿₁ = 𝑙₁𝑙 sec 𝑘_𝑙1 (3.21b) 𝐶₁ = 𝑐₁𝑙 sec 𝑘_𝑐1 (3.21c) 𝑅₀ = 𝑟₀𝑙 sec 𝑘_𝑟0 (3.21d) 𝐿₀ = 𝑙₀𝑙 sec 𝑘_𝑙0 (3.21e) 𝐶₀ = 𝑐₀𝑙 sec 𝑘_𝑐0 (3.21f) Dimana kr1, kl1, kc1, kr0, klo, dan kco merupakan faktor

hyperbolic correction. k bernilai nol jika panjang kabel power kurang dari 50 km.

(65)

39 𝐿𝑠 = (2𝐿₁ + 𝐿₀)/3 (3.22b) 𝑅𝑚 = (𝑅₀− 𝑅₁)/3 (3.22c) 𝐿𝑚 = (𝐿₀ − 𝐿₁)/3 (3.22d) 𝐶_𝑝 = 𝐶₁ (3.22e) 𝐶_𝑔 = 3𝐶₁𝐶₀/(𝐶₁−𝐶₀) (3.22f)

3.5 Perhitungan Efisiensi Sistem PLTH

Besarnya efisiensi sistem PLTH adalah perbandingan antara daya output sistem PLTH dengan energi kinetik kecepatan air yang menjadi masukan sistem PLTH. Besarnya efisiensi dapat dihitung menggunakan persamaan berikut ini:

𝜇 = 𝑃𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡

𝑃_{𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡} 𝑥100% (3.23)

𝑃_{𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡} = 1

2× 𝐴 × 𝜌 × 𝑉

3 _(3.24)

Perhitungan efisiensi sistem PLTH adalah sebagai berikut: 𝜇 = 132,5 kW

265,1785714 𝑘𝑊𝑥100% = 49,97 %

3.6 Perbandingan Unjuk Kerja Turbin Hidro-kinetik

Berikut adalah ilustrasi perbandingan unjuk-kerja turbin hidro-kinetik yang digunakan pada pemodelan PLTH dan hasil percobaan turbin hidro-kinetik dengan airfoil S814 berkapasitas 300 kW [1].

(66)

40

Gambar 3.9 Perbandingan unjuk-kerja turbin hidro-kinetik

3.7 Analisis Hasil Pemodelan

Berdasarkan pemodelan yang telah dilakukan dengan Matlab Simulink, akan dilakukan analisa variasi pitch angle terhadap torsi yang dihasilkan oleh turbin hidro-kinetik. Kemudian diperoleh performa terbaik dari turbin hidro-kinetik pada variasi

pitch angle tertentu. Setelah itu dilakukan analisa sistem PLTH secara keseluruhan, yaitu mulai dari bagian turbin hidro-kinetik,

generator induks, DC-AC inverter, transformers dan jala-jala

(67)

41 BAB IV

ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN

4.1 Torsi Turbin Hidro-kinetik pada pitch angle 0o pada

Kecepatan Air 0-3m/detik

Grafik respon pemodelan Simulink pada sistem pembangkit listrik tenaga hidro-kinetik dengan pitch angle turbin sebesar 0o

dengan kecepatan air yang mengenai turbin antara 0-3 m/detik ditunjukkan oleh gambar berikut ini dengan torsi pada sumbu Y dan kecepatan air pada sumbu X.

Gambar 4.1 Torsi turbin hidro-kinetik pada pitch angle 0 derajat pada kecepatan air 0-3m/detik

Pada Gambar 4.1 terlihat bahwa hubungan antara kecepatan air yang mengenai turbin sebanding dengan besarnya torsi mekanik yang dihasilkan oleh turbin. Semakin tinggi kecepatan air maka semakin besar pula torsi mekanik yang dihasilkan serta kenaikan kurva torsi mekanik turbin naik secara eksponensial. Terlihat bahwa nilai torsi mekanik tebesar adalah 2741,5 Nm pada kecepatan aliran air sebesar 3 m/detik. Nilai torsi mekanik

(68)

42

yang dihasilkan oleh turbin pada pitch angle 0o_{adalah yang}

paling tinggi dibandingkan dengan yang lainnya.

4.2 Torsi Turbin Hidro-kinetik pada pitch angle 5 Derajat pada Kecepatan Air 0-3m/detik

Pada Gambar 4.2 terlihat bahwa karateristik kenaikan grafik torsi terhadap kecepatan air hampir sama dengan grafik pada kondisi turbin dengan pitch angle lainnya. Terlihat nilai maksimum torsi turbin yang dihasilkan hanya sebesar 770 Nm pada kecepatan air sebesar 3 m/detik. Nilai torsi yang dihasilkan oleh turbin dengan pitch angle 5o_{adalah yang terkecil}

(69)

43 4.3 Torsi Turbin Hidro-kinetik pada pitch angle 10 Derajat

pada Kecepatan Air 0-3m/detik

Pada Gambar 4.3 terlihat bahwa karateristik kenaikan grafik torsi terhadap kecepatan air hampir sama dengan grafik pada kondisi turbin dengan pitch angle lainnya. Kemudian nilai torsi yang dihasilkan adalah sebesar 1227,4 Nm pada kecepatan air sebesar 3 m/detik.

4.4 Torsi Turbin Hidro-kinetik pada pitch angle 15 Derajat pada Kecepatan Air 0-3m/detik

(70)

44

ditunjukkan oleh gambar berikut ini dengan torsi pada sumbu Y dan kecepatan air pada sumbu X.

4.5 Torsi Turbin Hidro-kinetik pada pitch angle 20 Derajat pada Kecepatan Air 0-3m/detik

(71)

45

4.6 Daya, Tegangan dan Arus Generator Induksi pada

Turbin Hidro-kinetik dengan pitch angle 0 Derajat pada Kecepatan Air 0-3 m/detik

Grafik keluaran daya aktif, daya reaktif, tegangan tiga fasa dan arus tiga fasa yang dihasilkan oleh generator induksi pada pemodelan sistem pembangkit listrik tenaga hidro-kinetik dengan

(72)

46

Gambar 4.6 Daya, tegangan dan arus generator induksi pada turbin hidro-kinetik dengan pitch angle 0 derajat pada kecepatan

air 0-3m/detik

Pada Gambar 4.6 terlihat bahwa keluaran daya aktif dan reaktif dalam bentuk grafik rms (root mean square) dalam satuan kW. Daya aktif mulai mengalami kenaikan pada t = 0,35 detik atau ketika kecepatan air sebesar 1 m/detik dan torsi mekanik yang dihasilkan oleh turbin sebesar 115,5 Nm. Maksimum

overshoot daya aktif yang dihasilkan adalah sebesar 83 kW ketika t = 0,4 detik atau ketika kecepatan air sebesar 1,2 m/detik dan torsi mekanik yang dihasilkan oleh turbin sebesar 181,6 Nm. Daya aktif mulai bergerak stabil pada t = 0,66 detik atau ketika kecepatan air sebesar 1,9 m/detik dan torsi mekanik yang dihasilkan turbin sebesar 828,5 Nm. Maksimum daya aktif yang dihasilkan adalah sebesar 132,5 kW pada saat kecepatan air maksimal yaitu 3 m/detik dengan torsi yang dihasilkan oleh turbin sebesar 2741,5 Nm.

Pada Gambar 4.6 terlihat daya reaktif digambarkan dengan kurva yang berada di bawah daya aktif. Daya reaktif mulai mengalami kenaikan pada t = 0,26 detik atau pada kecepatan air 0,78 m/detik dan torsi mekanik sebesar 100 Nm. Daya reaktif mulai bergerak turun secara perlahan seiring dengan kenaikan daya aktif pada t = 0,6 detik atau pada kecepatan air 1,8 m/detik.

(73)

47 Pada Gambar 4.6 terlihat tegangan yang dihasilkan adalah sebesar 326,5 V tiga fasa dengan frekuensi 50 Hz. Tegangan yang dihasilkan oleh generator sudah sangat stabil. Hal tersebut terlihat dari sinyal sinus tegangan yang terbentuk sudah sangat sempurna. Kemudian pada grafik arus listrik terlihat sinyal arus listrik mulai stabil pada t = 0,6 detik dengan nilai sebesar 140 A yakni saat kecepatan air sebesar 1,8 m/s atau torsi mekanik sebesar 620,4 Nm. Setelah itu sinyal arus listrik bergerak naik seiring dengan bertambahnya kecepatan air hingga mencapai titik maksimum sebesar 900 A pada kecepatan air sebesar 3 m/detik.

4.7 Electromagnetic Torque dan Kecepatan Rotasi Generator Induksi pada Turbin Hidro-kinetik dengan pitch angle 0 Derajat pada Kecepatan Air 0-3m/detik

Grafik keluaran torsi elektrik dan kecepatan rotasi generator induksi pada pemodelan sistem pembangkit listrik tenaga hidro-kinetik dengan pitch angle turbin sebesar 0o _{dengan kecepatan air}

1-3 m/detik adalah sebagai berikut.

Gambar 4.7Electromagentic torque dan kecepatan rotasi generator induksi pada turbin hidro-kinetik dengan pitch angle 0

(74)

48

Terlihat pada Gambar 4.7 torsi elektrik dari generator induksi mulai stabil pada t = 0,79 detik. Kondisi ini terjadi saat generator mencapai kestabilan pada kecepataan sinkroniasainya yaitu sebesar 1520 rpm dan kecepatan air sebesar 2,37 m/detik. Sedangkan untuk torsi elekrik yang dihasilkan oleh generator adalah sebesar 2703 Nm.

4.8 Tegangan DC, Tengangan Inverter dan Modulation

Indeks pada DC-AC Inverter

Berikut adalah grafik keluaran tegangan DC, tegangan inverter dan modulation indeks pada DC-AC inverter pada pemodelan sistem pembangkit listrik tenaga hidro-kinetik.

Gambar 4.8 Tegangan DC, tengangan inverter dan

modulation indeks pada DC-AC inverter

Pada Gambar 4.8 terlihat bahwa setelah t = 0,026 detik sistem mencapai kondisi stabil. Terlihat DC-AC inverter

mengalami modulasi yang berlebihan sebab nilai m>1. Sedangkan inverter pada kondisi normal mempunyai nilai 0<m<1. Kemudian grafik baris kedua menunjukkan kondisi sinyal keluaran IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

(75)

49

4.9 Arus pada Diode 1-3 dan IGBT 1-2 pada DC-AC Inverter

Berikut ini adalah grafik keluaran arus pada diode 1-3 dan IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) pada pada DC-AC

Inverter.

Gambar 4.9 Arus pada diode 1-3 dan IGBT 1-2 pada DC-AC inverter

Pada Gambar 4.9 terlihat sinyal arus pada diode 1-3 mencapai kondisi stabil ketika t=0,05 detik. Kondisi tersebut diikuti juga dengan sinyal pada transistor IGBT 1-2. Sedangkan besarnya arus rata-rata pada Diode 1-3 adalah sebesar 287 A dan pada transistor IGBT adalah 137,5